Notre travail de thèse s'est attaché à comprendre les mécanismes mis en jeu par une expérience d'adaptation visuomanuelle inspirée de l'adaptation saccadique, qui a été décrite par [Magescas 2006a]. Le premier chapitre visait à montrer que le paradigme de [Magescas 2006a] induisait peu ou pas d'effets sensoriels. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés au processus exact de généralisation de l'adaptation au niveau de la seule articulation du coude. Nos résultats nous permettent d'avancer l'idée que le paradigme étudié induisait une modification spécifique du gain moteur pour le groupe de muscles extenseurs du coude. Le troisième chapitre présente le développement de méthodes d'enregistrement de la chaîne articulaire du membre supérieur. Cette méthodologie a permis une comparaison précise entre des hypothèses de généralisation de l'adaptation dans l'espace des tâches et dans l'espace articulaire. Dans un quatrième chapitre, suivant une démarche exploratoire, nous avons imaginé deux protocoles de transposition de l'expérience de [Magescas 2006a], afin d'élargir nos possibilités pour une future étude sur des patients ayant un déficit moteur. A l'issue de ce travail, nous disposons à la fois : de moyens méthodologiques pour l'enregistrement et la modélisation de la chaîne articulaire du membre supérieur ; d'un modèle théorique du fonctionnement de l'adaptation motrice étudiée ; et d'un protocole d'adaptation de la saisie, mieux adapté à la clinique que le protocole d'adaptation du pointage.

L'identification des fondements de la locomotion passe par la compréhension des structures anatomiques et des mécanismes mis en jeu lors de ce mouvement. Les études expérimentales en biomécanique ont ainsi permis de mettre en évidence un grand nombre d'invariants tels que la minimisation de l'énergie. En paléoanthropologie, lorsqu'il s'agit d'étudier l'influence de la morphologie sur le mouvement, l'approche par« anatomie comparée» est la plus utilisée. A partir d'observations sur les espèces actuelles, cette approche propose un certain nombre d'hypothèses locomotrices pour des espèces fossiles. Toutefois, la plupart des analyses en paléoanthropologie se focalisent sur une partie isolée du squelette (la hanche, le genou ou le bassin par exemple) et il est difficile de faire fonctionner ensemble des caractéristiques anatomiques de nature très différente et provenant de différentes parties du corps. Dans ce travail, nous proposons d'adapter des méthodes de simulation du mouvement bipède afin d'étudier les relations entre les paramètres anatomiques et le mouvement. Nous proposons, dans un premier temps, une méthode pour modéliser des squelettes et les exploiter pour la simulation. Nous décrivons ensuite une solution pour calculer les mouvements de la chaîne articulaire pelvienne à partir d'une trajectoire connue des pieds. Enfin, nous décrirons comment cette précédente méthode peut être utilisée pour simuler une locomotion bipède incluant le calcul de la trajectoire des pieds. Après avoir validé cette approche globale chez l'homme, nous proposons une application à un chimpanzé et à un spécimen d'Australopithecus afarensis ("Lucy", A.L.288-1). L'application paléontologique vise à tester l'influence de la longueur de pas et de diverses reconstructions de squelettes sur les mouvements simulés. En plus de l'apport scientifique dans le domaine de l'analyse du mouvement, ce travail a des implications directes dans le domaine des activités physiques et sportives afin de comprendre les fondamentaux de la performance motrice

La simulation numérique de correction chirurgicale de la scoliose peut apporter une aide précieuse à la planification d'une stratégie optimale pour un patient donné. Au cours des études précédentes menées au Laboratoire de Biomécanique, un premier modèle a été développé, et la faisabilité d'une telle simulation numérique personnalisée de chirurgie a été démontrée. Toutefois, l'extrême complexité et l'opérateurdépendance de ce modèle représentent un frein à son utilisation dans un cadre clinique. L'objectif de notre travail est, d'une part, de reprendre cette modélisation afin d'en améliorer deux éléments clefs pour une future utilisation clinique: l'automatisation de la personnalisation des propriétés mécaniques, et la robustesse (stabilité numérique et opérateur-indépendance) de la simulation de chirurgie. D'autre part, la modélisation de différents cas cliniques vise à évaluer la pertinence du modèle, et à mieux comprendre les mécanismes de correction. L'identification des propriétés mécaniques du rachis à partir de données in vivo (test clinique d'inclinaison latérale ou "bending"), a été automatisée en développant un algorithme d'optimisation guidée par de la connaissance a priori. La précision de cet outil a été évaluée sur des données in vivo issues des dossiers de trente patients scoliotiques. La simulation de chirurgie de correction de la scoliose a été rendue stable et opérateur-indépendante pour deux techniques différentes: par rotation de tige - instrumentation Cotrel- Dubousset ou CD - et par cintrage in situ ou CIS. En particulier, un algorithme spécifique définit et simule les séquences de cintrage in situ en accord avec l'expertise clinique. La cohérence de la simulation de chirurgie a été évaluée, tant au regard des données post-opératoires in vivo (issues des dossiers de vingt et dix patients scoliotiques pour les chirurgies respectives CD et CIS) que des mouvements vertébraux en per-opératoire (à partir de la littérature). Enfin, de multiples alternatives chirurgicales ont été envisagées, et différents concepts de correction ont été analysés sur le plan biomécanique. Notre travail ouvre des perspectives concrètes vers une utilisation en clinique de l'outil de simulation numérique personnalisée de chirurgie pour aider à la compréhension des mécanismes de correction, voire à la planification du geste chirurgical.

Les vibrations main-bras sont spécifiquement reconnues pour être la cause du syndrome des vibrations, une maladie atteignant les doigts et la main à des niveaux vasculaires, musculo-squelettiques et neurosensoriels. De longues durées et de fortes intensités de vibration peuvent accélérer l'apparition des symptômes. De plus, des muscles soumis à la vibration ont tendance se contracter involontairement de façon plus intense que sans vibration : c'est le réflexe tonique vibratoire. Or, une plus grande rigidité musculaire est associée à une plus grande transmission de vibration aux structures corporelles. Le but de cette étude était de mesurer la transmission de vibration et mesurer le taux de contraction des muscles par électromyographie en fonction de différents paramètres de force de poussée, de moment de force, de fréquence et d'amplitude de vibration. De plus, les somatotypes ectomorphes et mésomorphes ont été comparés afin de déterminer si des gens de avec plus ou moins de masse musculaire obtenaient des résultats différents. Douze participants (six ectomorphes et six mésomorphes) ont participé à cette expérimentation. Cette expérimentation durait environ 3h et comportait 81 essais en fonction d'une combinaison des trois niveaux de chacune des quatre variables (poussée, moment de force, amplitude de vibration et fréquence de vibration). Le somatotype n'a pas eu d'effet notable ni sur la vibration et peu sur le réflexe tonique vibratoire. Les variables biomécaniques (moment de force, force de poussée) ont généralement eu pour effet d'augmenter la transmission de vibration ainsi que les scores d'EMG. Les variables de vibration ont permis de déceler la présence d'un réflexe tonique vibratoire significatif mais de faible importance. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Électromyographie, outils vibrants, réflexe tonique vibratoire, somatotype, moment de force.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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L’appareillage permet à aux personnes amputées de membre inférieur de retrouver une autonomie de déplacement. Actuellement, cette autonomie est limitée dans certaines situations de la vie courante comme la marche en pente ou en escalier. Des capteurs dits embarqués sont de plus en plus souvent intégrés dans les prothèses et permettent d’enregistrer des informations cinématiques et dynamiques au cours de la locomotion. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de contribuer au développement de méthodes de traitement des données issues de ces technologies pour quantifier et améliorer l’adaptation de la prothèse à l’environnement. Ces méthodes ont été mises en œuvre et évaluées dans le cadre de l’utilisation d’un nouveau système prothétique contrôlé par microprocesseur de genou-cheville (SPCM), développé par la société Proteor et visant à faciliter la locomotion des personnes amputées au-dessus du genou dans les situations de pente ou de descente d’escalier. La première partie de cette thèse a été consacrée à la quantification des adaptations permises par le SPCM au cours de la locomotion dans différentes situations de la vie courante (plat, pente, escalier). La deuxième partie de la thèse s’est intéressée à développer des estimations de paramètres de la marche (vitesse de marche et inclinaison de la pente) et à la classification de 4 situations de la vie courante (plat, montée et descente de pente, descente d’escalier) à l’aide d’algorithmes d’apprentissage automatique pouvant être calculé par le SPCM en temps réel. L’ensemble de ces travaux permettra de mieux quantifier l’activité réelle de l’utilisateur. Cette quantification pourrait aider l’utilisateur ou l’équipe médicale pour le suivi d’activité mais aussi le constructeur pour améliorer l’adaptation des éléments prothétiques à l’environnement rencontré et pour vérifier l’utilisation réelle du SPCM. / Prosthetic devices allow people with lower limb amputation to recover their autonomy. Currently, this autonomy is limited in several everyday life situations such as walking on a slope or in stairs. Embedded sensors, frequently integrated inside the prostheses, record kinematic and dynamic data during locomotion. In this context, this PhD thesis aims to contribute to the development of methods for the processing of data provided by these technologies to quantify and improve the adaptation of the prosthesis to the environment. These methods were applied and evaluated in the context of the use of a new prosthetic knee-ankle system controlled by microprocessor (SPCM) developed by Proteor to facilitate the locomotion in situations such as slope or downstairs walking for people with above knee amputation. The first part of the work was devoted to the quantification of the adaptations allowed by the SPCM in different situations of daily life (flat, slope, staircase). The second part of the thesis focused on the estimation of gait parameters (walking speed and slope inclination) and the classification of 4 everyday life situations (flat, slope ascent and descent, stair descent) using machine learning algorithms that can be computed by the SPCM in real time. The body of this work will make it possible to better quantify the user real life activity. This quantification could help the user or the medical team in the activity monitoring but also the manufacturer to improve the adaptation of the prosthetic components to the environment and to verify the SPCM actual use.

Dans le cadre de l'étude de la morphogénèse des plantes, bien que la génétique soit intensivement étudiée, le concept clé de rhéologie à différentes échelles : cellulaire, tissulaire ou de l'organisme entier, qui gouverne directement la croissance des organismes et devrait permettre la connaissance de l'évolution de la plante reste encore très pauvrement analysé.Ce travail porte ainsi sur la description des paramètres mécaniques des cellules de plantes, à travers la réalisation de modèles numériques physiques et réalistes de différents sous-domaines de l'organisme Arabidopsis thaliana. Dans ce projet, une approche systématique sera développée pour la réalisation de ces modèles où nos structures s'appuieront sur des données expérimentales (images des différents organes de la plante) décrivant précisément la structure interne d'A. thaliana, ce qui permettra l'obtention de structures et maillages réalistes.Ensuite l'étape de modélisation permettra d'une part de retrouver, à travers le champs de déformation de l'organe décrit, les caractéristiques mécaniques sous-jacentes au modèle, ce qui constitue une forme de problème inverse biologique complexe. Nous appliquerons cette méthodologie à différents sous-domaine de notre plante archétype, commençant par les jeunes tiges, puis les racines et enfin le meristème qui constitue la zone première de croissance de la plante.D'autre part, nous développerons un cadre théorique, sur lequel pourront s'appuyer les biologistes, décrivant un modèle d'organe d'A. thaliana réaliste, typiquement le meristème, et qui permettra de valider ou d'infirmer certaines hypothèses de manipulations encore sujettes à débat, notamment dans le cadre d'utilisation de microscope à force atomique afin d'extraire expérimentalement les propriétés mécaniques des tissus.Enfin, nous présenterons une nouvelle approche mécanique hiérarchique couplant des modèles de simulation à différentes échelles : Multifarious Hierarchy of Mechanical Models. Cette nouvelle approche est à la fois éclectique, car elle permet de coupler des modèles physiques variés (sans maillages, physique modale, éléments finis...), mais aussi flexible, car elle autorise la modularité des différents domaines des modèles sous-jacents, et enfin efficace par l'obtention de gains de performance et de temps face à des simulations éléments finis s'appuyant sur le même niveau de détail. Cette approche devrait permettre le développement d'algorithmes rapides pour les simulations physiques où un niveau de détail local est requis. Par exemple, elle pourrait s'appliquer aux simulations de microscope à force atomique décrites dans la partie précédente. / Morphogenesis in plants is an active field of research. While genetics influence on plant shape has been extensively studied, rheology through scales: from cells to the whole organism through various tissues or organs, is still poorly analysed. Nevertheless, it should lead to the understanding of plants evolving, since it directly drives the organism growth.This work aims at understanding the mechanical caracteristics of plant cells, through several realistic and physically based models of various sub-domains of our plant archetype: Arabidopsis thaliana. In this project, a systematic approach has been developped, where the structures underlying such models rely on experimental data (images of different plant organs), describing precisely the inner structure of A. thaliana, which allows the use of realistic meshesfor our simulations.Then physical modelling allows us to retrieve, through the deformation field of different plant sub-domains, the mechanical properties underlying each type of structure described, which is a typical inverse problem form of a complex biological system. We apply this optimization methodology to several plant organs, beginning with embryonic stem, then with roots and finally with meristems, which constitute the zone where cells can divide and growthtypically takes place.Then, we develop a theoretical framework, on which biologists may rely, describing a realistic model of plant sub-system, typically a meristem. We hope that this conceptual framework will help experimentalists to validate some hypothesis regarding plant manipulations that are still subject to debate, as the use of Atomic Force Microscopy to experimentaly extract mechanical parameters from various plant tissues.Finally, we present a new approach coupling a coarse physically based simulation to a more detailed one : the Multifarious Hierarchiy of Mechanical Models. MHMMs are eclectics as they combine arbitrarily any type of physically based simulation (meshless, modal physics, Finite Elements, ...). Moreover, they are flexible as they allow the modularity of the various domainscontaining the underlying models. Finally MHMMs are much faster than full Finite Element simulation, at the same level of detail. This should allow the development of fast algorithm for local detailed simulation, as was the case for the numerical Atomic Force Microscope in previous part.

La modélisation avancée du comportement réel des bustes féminins en statique ou en dynamique doit tenir compte des constituants biologiques du sein. La simulation numérique de la déformabilité de sein permettrait le développement de nouvelles techniques de confections pour la corsetterie ou de nouveaux appareillages médicaux, notamment pour le dépistage du cancer du sein. Dans cette étude, une approche expérimentale-simulation-optimisation prenant en compte les constituants (peau, graisse et glandes) responsables de la déformabilité du sein sous l’effet de la gravité est proposée. Pour cela, des modèles géométriques 3D ont été générés à partir d’images IRM afin de reconstruire les constituants internes. Des outils de maillages surfaciques et volumiques adaptatifs ont été utilisés pour les besoins des simulations éléments finis sur Comsol. Des essais expérimentaux de la déformabilité des bustes en statique et dynamique ont pu être réalisé à l’aide d’un système de scanner 3D par caméras et d’un banc spécifique d’inclinaison des bustes. Des modèles numériques des seins ont été confronté aux expérimentations et à la littérature afin d’identifier et d’optimiser par approche inverse les caractéristiques des seins / Advanced modeling of female bust behaviour in static or dynamic must consider the biological of each components of the breast. The numerical simulation of breast deformation enables the development of new techniques for confections corsetry or new medical devices, including screening for breast cancer. In this study, an experimental-simulation-optimization approach that takes into account the components (skin, fat and glands) responsible for the deformability of the breast under the gravity loading is proposed. Geometrical models were generated from MRI images for 3D reconstruction of internal components is used with using advanced adaptive mesh surface and volume for purposes of finite element simulations using Comsol Multiphysics. Experimental tests are developed using a 3D scanner cameras and a special gear for study the busts deformability in static and dynamic. Numerical hyperelastic models of Comsol Multiphysics FEA are using for breasts deformation to characterize and optimize with reverse approach the breast mechanical properties. Confrontation with experimental and literature results is proposed in order to demonstrate the efficiency of our approach

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un nouvel outil d’analyse et d’exploitation des expérimentations biomécaniques sur corps donnés à la science. Ces expérimentations pleine échelle, comme la reconstitution complète d’un accident réel, ou dit ‘fractionné’, comme l’investigation du comportement mécanique d’une articulation ou la validation d’un modèle éléments finis, utilisent des corps entier ou des segments anatomiques. L’exploitation de ces essais englobe l’analyse des résultantes accélérométriques et des vidéos rapides. Dans tous les cas l’objectif est de saisir les mécanismes lésionnels mis en jeu : si l’autopsie finale donne le bilan complet des lésions provoquées par l’essai expérimental, il est souvent complexe de retrouver la séquence chronologique d’apparition des lésions, voire de localiser anatomiquement cette lésion. Les méthodes actuelles souffrent d’un manque dans l’identification des lésions sur le traitement du signal : l’identification et la localisation temporelle d’une lésions sur un signal permettrait d’affiner la compréhension des mécanismes de destructions du corps humain et de compléter la validation des modèles éléments finis du corps humain. Les signaux accélérométriques issus de la biomécanique de chocs étant non stationnaires et fortement transitoires c’est vers le traitement du signal temps-fréquence que nous somme allé chercher de quoi localiser et discriminer l’apparition d’une lésion sur un signal. C’est plus précisément à partir de la transformée en ondelette continue que nous avons définit un critère de force de transitoire : un scalaire dépendant du temps reflète l’aspect transitoire du signal sur la bande fréquentielle supérieur du spectre temps-fréquence. Cette utilisation simple de la transformée temps échelle va être appliquée à deux structures critiques en biomécanique : le thorax, en tant que structure supportant les organes vitaux et faisant l’objet de moyen de protection spécifique, et le membre inférieur, en tant que premier segment anatomique touché en choc piéton. Dans le cas du thorax, le critère d’estimation de la force d’un transitoire a permis de cartographier de trajet d’un signal transitoire généré par la fracture d’une côte : ce résultat critique permettra de réduire l’instrumentation en biomécanique du thorax tout en en améliorant l’efficacité en terme de détection et localisation de fracture. Dans le cas du membre inférieur, le critère en transitoire a permis de discriminer les signaux transitoires provoqués par une fracture osseuse de ceux provoqué par une avulsion ligamentaire. L’accès à la distinction os/ligament est une avancée majeure dans l’exploitation des expérimentations biomécaniques sur le membre inférieur : les lésions pourront être associées plus facilement à une source lésionnelle et l’accès potentiel à l’état lésionnel de l’articulation du genou permettra de compléter la validation d’un modèle éléments finis. En conclusion cette thèse pose les bases de l’application de méthodes temps échelle à la biomécanique des chocs et permet d’analyser les signaux transitoires générés par les lésions pour améliorer leur localisation anatomique et temporelle. Ce travail très investigatoire devrait permettre de mettre au point un véritable outil d’exploitation expérimental à l’avenir. / This work introduces a new tool to be used in biomechanical experiment based on human surrogates. Those xperiments need human bodies or anatomic segments. They can be ‘full scale’when dealing with crash reconstruction or ‘sub system’ when dealing with any investigation that focuses on mechanical behavior of biological structure. Actual means of post processing of these experiments include accelerometers signal processing, necropsy and fast video recording. The objectives are usually to understand all injury mechanisms. The final necropsy indicates a listing of all injuries sustained by a human surrogate and an important issue is to recover the chronology of these injuries. Current signal post processing methods lack any injury identification system. Accelerometric signals recorded during impact biomechanical tests are definitely non stationary. We propose to use an approach based on time frequency visualization in order to detect and characterize any injury occurrence within those signals. More precisely we applied continuous wavelet transform and introduced a new criterion that quantifies any transient, or singularity, of the signal: we made the hypothesis that singularities are images of injury occurrence. The quantification of the singularity is calculated from the amount of high frequency contained in the signal. The criterion is applied to two anatomical structures of the human body. Firstly on the thorax, as it supports all vital organs and it is the object of intense safety system development. Secondly the criterion is applied on the lower limb, as it s the primary impacted structure during car/pedestrian collision. The application of the transient criterion to the thorax showed that transient signal caused by rib fractures can be tracked down. The knowledge of the path of the transient signal through the thorax lead to a better understanding of the injury mechanism of the rib. Detection and localization of the fracture rib is then improved and further instrumentation for similar biomechanical test could be tremendously reduced in the future. In the case of the lower limb, the transient criterion was used to localize in time any injury occurrence. Moreover the criterion enabled to discriminate ligament failure from bone fracture. This differentiation gives access to the chronology of injury occurrence during sub system impact test or full scale car crash reconstruction. The knowledge of such an internal chronology can lead to car improvement and further validation tool for finite element modes. In conclusion this work introduces a new application of time scale representation to impact biomechanics. Transient signals coming from injury can be localized in time and the origin of the injury can be determined. This preliminary study can be further completed to build an actual tool for the post processing and exploitation of impact biomechanical experiments.